栗靜男，金晶，鄭峰

(1. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭供電局，廣東 汕頭 515000；3. 福州大學(xué) 電氣工程自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116)

相較于傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)，直流電網(wǎng)具有低慣量、低阻抗的特性，其響應(yīng)時(shí)間常數(shù)比交流電至少小2個(gè)數(shù)量級(jí)[1-3]，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，換流器與直流側(cè)的電容元件將快速放電，導(dǎo)致直流故障電流迅速上升，給電力電子設(shè)備帶來較大沖擊[4]；因此，當(dāng)直流電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)需要快速對(duì)故障線路進(jìn)行隔離。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)故障線路的快速隔離，可在直流線路兩側(cè)安裝直流斷路器。當(dāng)直流故障發(fā)生后，通過故障線路兩側(cè)直流斷路器動(dòng)作，就可快障清除將故。目前，直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)種類繁多，按照斷路器中開斷器件不同，直流斷路器大致可以分為3類[5-7]：機(jī)械式直流斷路器、全固態(tài)式直流斷路器以及混合式直流斷路器。機(jī)械式直流斷路器的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定、帶載能力強(qiáng)，但其觸頭容易被開斷電弧損害、開斷能力有限并且切除故障的時(shí)間較長(zhǎng)；全固態(tài)直流斷路器的優(yōu)點(diǎn)是無觸頭、投切快速、開關(guān)時(shí)刻準(zhǔn)確、可控可靠性高及壽命長(zhǎng)，但是全固態(tài)直流斷路器容易過壓過流、器件的通態(tài)損耗高以及造價(jià)昂貴；混合式直流斷路器集合了機(jī)械式斷路器和固態(tài)斷路器的優(yōu)點(diǎn)，克服了二者的缺點(diǎn)，具有通態(tài)損耗小、開斷時(shí)間短、無開關(guān)死區(qū)、壽命長(zhǎng)、工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是目前直流斷路器研發(fā)的主要方向。ABB公司在2012年提出了一種混合式直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是目前較為經(jīng)典的一種混合式斷路器，即正常運(yùn)行時(shí)，第1支路導(dǎo)通從而降低運(yùn)行損耗，在故障時(shí)，將第1支路的故障電流轉(zhuǎn)移到第2支路，吸收支路耗散能量[8]。文獻(xiàn)[9]提出了一種強(qiáng)制換流型混合式高壓直流斷路器拓?fù)?，所提方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中引入了1個(gè)絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)用來配合隔離開關(guān)進(jìn)行合閘操作，具有雙向阻斷通態(tài)電流、雙向切除故障電流的功能。文獻(xiàn)[10]提出了一種混合式零電壓開關(guān)直流斷路器，采用基于快速斥力機(jī)構(gòu)的真空開關(guān)和IGBT開斷并聯(lián)，整機(jī)開斷能在2 ms內(nèi)完成。

現(xiàn)有的混合式直流斷路器需要等待超快速機(jī)械開關(guān)建立最大絕緣能力后，才能分?jǐn)嘀鲾嗦菲髦?，一般需要幾個(gè)毫秒的延時(shí)，此時(shí)故障電流可能超過斷路器中電力電子器件的承受能力[11]；因此，為了降低直流斷路器在開斷故障電流時(shí)承受的應(yīng)力，在直流斷路器動(dòng)作前需要采取一定的限流措施。已有研究提出在直流線路兩端增加平波電抗器及在直流斷路器中增加限流電抗，但是過大的限流電抗器數(shù)值會(huì)影響整個(gè)直流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[12-13]。另一種方法是在直流電網(wǎng)中安裝限流器，直流故障限流器可以分為2大類[14]：基于電力電子開關(guān)的限流器和超導(dǎo)型限流器?；陔娏﹄娮娱_斷的限流器也分為全固態(tài)限流器和混合式限流器，前者存在通態(tài)損耗大、單管容量有限的問題，而后者的研究較少。隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，超導(dǎo)限流器開始引起國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的重視[15-16]，但其存在失超阻值大小不可調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。

為了降低混合式直流斷路器在開斷故障電流時(shí)承受的應(yīng)力，本文提出一種基于電阻型超導(dǎo)和IGBT控制限流電阻的橋型電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過IGBT控制的分級(jí)接入電阻彌補(bǔ)故障時(shí)超導(dǎo)失超態(tài)的阻值大小不可調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，提高限流器的調(diào)節(jié)性，同時(shí)分析了限流器的工作特性；在此基礎(chǔ)上，將橋型超導(dǎo)限流器與一種混合式斷路器串聯(lián)接入電路，分析二者的配合以及橋型超導(dǎo)限流器對(duì)混合式直流斷路器開斷特性的影響；最后利用MATLAB/Simulink搭建橋型超導(dǎo)限流器和混合式直流斷路器的模型，仿真驗(yàn)證所提出的超導(dǎo)限流器對(duì)混合式直流斷路器開斷特性的影響。

1 超導(dǎo)限流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

高溫超導(dǎo)帶材是目前應(yīng)用于高溫超導(dǎo)電力設(shè)備的主要材料之一，其電阻率隨電流密度的變化而變化。本文提出一種新型橋型超導(dǎo)限流器:在系統(tǒng)正常運(yùn)行的時(shí)候，超導(dǎo)限流器被旁路，此刻超導(dǎo)處于超導(dǎo)態(tài)，保證了正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)配電系統(tǒng)沒有影響；出現(xiàn)故障時(shí)，由于電流的變化，使超導(dǎo)支路導(dǎo)通，同時(shí)由于電流密度的變化導(dǎo)致超導(dǎo)失超，超導(dǎo)電阻率上升。

直流配電系統(tǒng)中，當(dāng)在不同位置發(fā)生極間短路故障時(shí)，故障點(diǎn)相對(duì)于變流器出口電容的阻抗不同。面對(duì)不同的短路故障點(diǎn)，系統(tǒng)的短路電流大小也不同(若在靠近變流器出口電容的位置出現(xiàn)極間短路故障，短路電流較大)，但此時(shí)超導(dǎo)本身電阻大小不變，這就使得電路無法根據(jù)故障電流的大小來調(diào)節(jié)限流支路阻抗，導(dǎo)致故障的限制較為被動(dòng)，靈活性比較低；因此，為了提高限流器的可調(diào)性，本文提出在橋型電路的中間支路，串聯(lián)若干由IGBT控制的電阻，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中, D1、D2、D3、D4為二極管，Udc為直流電源，idc、ib分別為直流電源電流和支路電流。圖1中僅畫出1個(gè)IGBT控制電阻，多級(jí)串聯(lián)均為此種連接方式。直流電源Udc由于只作為二極管正向偏置電壓，其數(shù)值較小，可通過電源Us流過整流管D5、D6、D7、D8，經(jīng)電容C和電阻R輸出得到。開關(guān)則根據(jù)系統(tǒng)故障情況及斷路器開關(guān)狀態(tài)相配合，檢測(cè)無故障電流時(shí)開關(guān)S1閉合S2斷開，有故障電流時(shí)S2閉合S1斷開，在此不再贅述詳細(xì)工作工程。

圖1 橋型超導(dǎo)限流器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of bridge typed superconducting current limiter

如圖1所示：當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)idc>0，在中間支路存在直流電源Udc的正偏電壓，故ib>idc，流過D1和D4的電流為(ib+idc)/2>0，而流過D2和D3的電流為(ib-idc)/2>0，因此4個(gè)二極管均導(dǎo)通，直流線路上的電流不會(huì)流過中間支路，限流裝置被旁路；當(dāng)直流配電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，線路上的電流增大，導(dǎo)致ib

當(dāng)直流配電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，線路上的電流增大，導(dǎo)致ib

超導(dǎo)限流器單獨(dú)作用可以達(dá)到限流的要求時(shí)，IGBT均導(dǎo)通，所控制的電阻不會(huì)在該支路上起作用。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)極間短路故障的時(shí)候，首先通過超導(dǎo)限流器超導(dǎo)失超對(duì)故障進(jìn)行限流；若此時(shí)的故障電流仍無法達(dá)到預(yù)期的要求，則需要由IGBT來控制電阻，并且分級(jí)加入，即串入一級(jí)電阻后，在時(shí)間允許的范圍內(nèi)，檢測(cè)此時(shí)的故障電流大??；若依舊大于預(yù)期值，可再通過IGBT加入其余電阻，做到故障電流的多級(jí)控制。

此外，本文提出的超導(dǎo)限流器對(duì)線路重合閘能起到積極作用：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時(shí)性故障，直流側(cè)電壓出現(xiàn)跳變，故障電流增大，進(jìn)而使斷路器保護(hù)動(dòng)作；若裝設(shè)限流器，則可抑制故障電流，抬升母線電壓，使斷路器的動(dòng)作躲開瞬時(shí)性短路故障，同時(shí)在永久性故障的時(shí)候，減小故障電流對(duì)斷路器的影響，提高斷路器重合閘動(dòng)作概率，延長(zhǎng)斷路器的使用壽命。斷路器重合閘動(dòng)作時(shí)，考慮到超導(dǎo)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)對(duì)二極管導(dǎo)通正向偏置電壓的影響，只需增大直流電源Udc輸出電壓值即可。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)性故障，重合閘后限流器二極管D1、D3為導(dǎo)通狀態(tài)，即超導(dǎo)支路被旁路，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。若為永久性故障，故障線路重新投入系統(tǒng)，由于故障電流的影響，橋型超導(dǎo)限流器又立即投入工作，此時(shí)超導(dǎo)電阻能夠繼續(xù)對(duì)故障電流進(jìn)行限流，減小永久性故障下故障電流在斷路器重合閘動(dòng)作時(shí)對(duì)系統(tǒng)的沖擊。

2 混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

混合式直流斷路器集中了機(jī)械式斷路器和固態(tài)斷路器的優(yōu)點(diǎn)，并克服了二者的缺點(diǎn)，是目前斷路器研發(fā)的主要方向。文獻(xiàn)[10]提出了混合式直流斷路器總體方案，本文基于此方案，研究超導(dǎo)限流器對(duì)其開關(guān)應(yīng)力的影響，圖2給出了該種混合式直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；旌鲜街绷鲾嗦菲饔煽焖俪饬φ婵臻_關(guān)(high speed vacuum circuit breaker, HSVCB)和IGBT與金屬氧化鋅避雷器(metal oxide varistors, MOV)構(gòu)成的IGBT開斷單元組成。

混合式直流斷路器主要由3部分組成：載流支路、轉(zhuǎn)移支路和能量耗散支路?；旌鲜街绷鲾嗦菲鞣?jǐn)嗟臅r(shí)序如圖3所示，其中t為時(shí)間，u、i分別為電壓和電流，T1、T2為時(shí)段，其工作原理為：

圖2 混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of hybrid DC circuit breaker

圖3 混合式故障限流器分?jǐn)嚯妷弘娏鞑ㄐ渭皶r(shí)序示意圖Fig.3 Diagram of breaking voltage and current waveforms and time-sequence of hybrid fault current limiter

在正常工作時(shí)，混合式直流斷路器處于合閘狀態(tài)，此時(shí)IGBT未導(dǎo)通，電流從HSVCB流過，HSVCB所在支路稱為載流支路；t0時(shí)刻系統(tǒng)發(fā)生故障；t1時(shí)刻直流斷路器動(dòng)作，混合式直流斷路器進(jìn)行分閘時(shí)，先給IGBT導(dǎo)通信號(hào)令I(lǐng)GBT導(dǎo)通，此時(shí)由于HSVCB未分閘，HSVCB的接觸電阻遠(yuǎn)小于IGBT的導(dǎo)通電阻，因此故障電流主要由HSVCB流過；t2時(shí)刻HSVCB開始分閘，由于電弧的弧阻與IGBT的導(dǎo)通阻抗相當(dāng)，因此電流開始從HSVCB向IGBT轉(zhuǎn)移；t3時(shí)刻故障電流全部轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移支路，此稱為第1次電流轉(zhuǎn)移；t4到t5時(shí)刻故障電流全部轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移支路，稱為第2次電流轉(zhuǎn)移，其目的是將故障電流降至零，第2次電流轉(zhuǎn)移可以分為2個(gè)階段，分別為IGBT到RCD吸收電路(由電阻R、電容C和二極管D構(gòu)成)的電流轉(zhuǎn)移和RCD吸收電路電流下降為零的過程，由RCD吸收電路和IGBT組成的支路稱為轉(zhuǎn)移支路，同時(shí)設(shè)置避雷器來吸收第2階段的故障電流，保證混合式直流斷路器工作的穩(wěn)定，避雷器所在支路稱為能量耗散支路；t6時(shí)刻混合式直流斷路器動(dòng)作完成，故障電路成功切除。

3 基于超導(dǎo)限流器的直流斷路器應(yīng)力分析

前文指出本文所提的橋型超導(dǎo)限流器具有更好的靈活性，同時(shí)能夠降低系統(tǒng)重合閘的需求，這些特性對(duì)混合式直流斷路器的動(dòng)作十分有利。本節(jié)進(jìn)一步研究超導(dǎo)限流器和混合式直流斷路器的配合問題，以及定性地分析在加入超導(dǎo)限流器后混合式直流斷路器的應(yīng)力變化。

3.1 工作過程

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，超導(dǎo)限流器與故障限流器之間的配合設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下條件[18]：

a)直流斷路器中主斷路器動(dòng)作時(shí),超導(dǎo)限流器的阻值應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定值。

b)超導(dǎo)限流器電阻在主斷路器動(dòng)作前達(dá)到了穩(wěn)定值，且超導(dǎo)限流器電阻阻值應(yīng)使故障放電回路呈現(xiàn)過阻尼狀態(tài)。

c)直流斷路器中主斷路器閥段關(guān)斷時(shí)，故障電流應(yīng)低于直流斷路器的最大開斷電流。

在超導(dǎo)限流器和混合式斷路器的時(shí)序配合上，先由超導(dǎo)限流器對(duì)故障電流實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定限流后混合式直流斷路器才開始動(dòng)作。圖4給出了本文所提方案超導(dǎo)限流器與混合式直流斷路器配合動(dòng)作流程圖。

在直流配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，由于流過超導(dǎo)限流器的電流密度增大，超導(dǎo)限流器啟動(dòng)對(duì)故障電流進(jìn)行限流，當(dāng)檢測(cè)裝置檢測(cè)到故障電流小于設(shè)定值后，混合式直流斷路器才開始動(dòng)作；若故障電流不滿足要求時(shí)，則投入IGBT級(jí)聯(lián)電阻進(jìn)一步限流?；旌鲜綌嗦菲鏖_始動(dòng)作時(shí)，在其機(jī)械開關(guān)拉升足夠的絕緣能力的過程中，由于超導(dǎo)限流器已經(jīng)在前期對(duì)故障電流起到了限制作用，故障電流被限制住不再繼續(xù)發(fā)展，從而可以極大地降低混合式斷路器在開斷時(shí)所承受的最大故障電流上升率和故障電流。

3.2 直流斷路器整機(jī)應(yīng)力分析

當(dāng)故障發(fā)生后，直流斷路器按照工作情況可以分為MOV未啟動(dòng)時(shí)的低阻高通階段，以及MOV啟動(dòng)后的高阻階段。圖5給出了這2個(gè)階段的示意圖，其中RSFCL為限流器的等效阻抗，Xline為線路的等效電抗。

圖4 限流器與斷路器配合工作流程圖Fig.4 Flow chart of cooperation between current limiter and circuit breaker

圖5 故障電流回路分?jǐn)鄷簯B(tài)過程示意圖Fig.5 Breaking transient processes of fault current circuit

在高通階段，直流斷路器的阻抗很低，斷路器上的壓降ubreaker很小(可以忽略不計(jì))，直流系統(tǒng)線路電感產(chǎn)生感應(yīng)電壓uL，限流器上的壓降為USFCL，則有

(1)

同上，當(dāng)MOV啟動(dòng)后，斷路器進(jìn)入高阻階段，則

(2)

式中UMOV為MOV的電壓，求解式(1)和(2)，可得故障電流表達(dá)式：

(3)

如果故障電流發(fā)展時(shí)間為T1，則斷路器分?jǐn)嗟淖畲箅娏?/p>

(4)

最大電流上升率

(5)

根據(jù)式(3)—(5)可知，限流器電壓USFCL的存在，將使故障電流、斷路器分?jǐn)嗟淖畲箅娏饕约白畲箅娏魃仙示忻黠@下降。

混合式直流斷路器在關(guān)斷時(shí)刻所耗散的能量主要來源于2個(gè)方面：一方面來自于直流電源，另一方面來源于線路電抗的儲(chǔ)能。由于限流器串入直流系統(tǒng)，則此時(shí)直流電源產(chǎn)生的能量

(6)

式中γ=(UMOV+USFCL)/Udc。線路電抗儲(chǔ)存的能量

(7)

混合式直流電斷路器所耗散能量E為上述二者之和，即

(8)

根據(jù)式(8)可知：在直流混合式斷路器分?jǐn)噙^程中存在5個(gè)參量——故障電流極值imax、故障電流上升率di/dt、系統(tǒng)經(jīng)超導(dǎo)限流器限流后的電壓水平(Udc-USFCL)、MOV電壓以及斷路器總耗散能量E。通過這5個(gè)參量可以反映混合式高壓直流斷路器承受的最苛刻的整機(jī)應(yīng)力水平[19]。從式(6)、(8)可以看出，USFCL的存在將明顯減小直流電源產(chǎn)生的能量以及混合式直流電斷路器所耗散的能量。

3.3 直流斷路器部件應(yīng)力分析

分析IGBT、緩沖電容以及MOV的開關(guān)應(yīng)力，需要分析第2階段的相關(guān)應(yīng)力即可?？梢詫⒌?次電流轉(zhuǎn)移分為5個(gè)階段[20-24]：

階段1——故障電流在轉(zhuǎn)移支路的IGBT中繼續(xù)上升；

階段2——轉(zhuǎn)移支路的IGBT接到閉鎖信號(hào)后關(guān)斷，轉(zhuǎn)移支路的IGBT和RCD回路的電容之間進(jìn)行換流；

階段3——LC震蕩釋能階段；

階段4——緩沖電容和MOV之間進(jìn)行換流；

階段5——故障電流全部換流至MOV上。

圖6為第2次電流轉(zhuǎn)移的暫態(tài)過程示意圖。

圖6 故障電流回路第2次換流暫態(tài)過程示意圖Fig.6 Diagram of the second commutation transient process of fault current circuit

3.3.1 IGBT關(guān)斷應(yīng)力

如圖6(a)所示，在IGBT尚未接到閉鎖信號(hào)時(shí)，故障電流流過IGBT，在t4時(shí)刻IGBT關(guān)斷，此時(shí)由于限流器的接入，則故障電流

(9)

設(shè)定緩沖電容電壓uc的初始狀態(tài)為：

uc(t4)=0,

(10)

(11)

如圖6(b)所示的階段2，即IGBT與緩沖電容之間的換流過程可表示為

(12)

式中：RSFCL(t)為限流器在斷路器合閘過程中的阻抗擬合表達(dá)式；R(t)為工程提取的恒溫條件下IGBT關(guān)斷過程阻抗擬合表達(dá)式,為便于計(jì)算將IGBT關(guān)斷過程阻抗R(t)視為常數(shù)。根據(jù)式(12)可得

(13)

其中：

(14)

式中C1、C2均為擬合等效電容值。由于限流阻抗RSFCL(t)的存在，在IGBT的關(guān)斷過程中，其電壓應(yīng)力等于緩沖電容電壓應(yīng)力，即

uIGBT(t)=uc(t)=iIGBT(t)R(t).

(15)

式中：uIGBT(t)、iIGBT(t)分別為IGBT的電壓和電流。IGBT在關(guān)斷過程的瞬時(shí)功率PIGBT(t)和關(guān)斷損耗EIGBT(t)分別為：

(16)

(17)

將式(13)代入式(15)、(16)，則可發(fā)現(xiàn)IGBT在關(guān)斷過程的瞬時(shí)功率和關(guān)斷損耗均降低。

3.3.2 緩沖電容應(yīng)力

當(dāng)IGBT的電流全部換流到緩沖電容后，斷路器開始LC震蕩釋能。換流完成時(shí)刻，緩沖電容的電壓

(18)

式中ic為緩沖電容電流。震蕩釋能的等效電路如圖6(c)所示，對(duì)其列寫回路方程

(19)

解得

uc=C3eλ3t+C4eλ4t+XlineCUdc,

(20)

式中C3、C4均為擬合等效電容值，其中：

(21)

緩沖電容電壓會(huì)持續(xù)上升，當(dāng)電容電壓達(dá)到設(shè)定的避雷器動(dòng)作電壓時(shí)，開始進(jìn)入階段4至5，即緩沖電容與MOV之間進(jìn)行換流，此時(shí)回路方程

(22)

式中RMOV(t)為工程提取的MOV阻抗表達(dá)式。根據(jù)式(18)—(22)可知，此階段電容的緩沖應(yīng)力降低。

4 仿真分析

為分析對(duì)比加入超導(dǎo)限流器前后混合式直流斷路器在開斷故障電流時(shí)的應(yīng)力變化，在MATLAB/Simulink中搭建了混合式直流斷路器和超導(dǎo)限流器的仿真模型。表1給出了仿真參數(shù)，其中回路電阻和線路電感用以模擬直流配電網(wǎng)的環(huán)境，RCD電阻和電容在保證吸收電路儲(chǔ)存能量的基礎(chǔ)上選擇盡量小的參數(shù)以避免產(chǎn)生過大的反向電流。本文仿真方案設(shè)定如下：混合式直流斷路器工作在400 V的直流配電網(wǎng)中，正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載電流為80 A；斷路器的額定電壓為400 V，額定電流為125 A，最大故障電流上升率約為2 kA/ms；故障時(shí)，斷路器動(dòng)作電流整定為額定電流的1.4倍，即175 A。加入限流器后保證在斷路器動(dòng)作前將故障電流限制到斷路器的動(dòng)作電流，且在斷路器動(dòng)作后限制故障電流的發(fā)展，同時(shí)降低故障電流上升率。

圖7和圖8給出了混合式直流斷路器開斷過程中電流和電壓的仿真波形，圖9所示為直流斷路器中第1次換流過程，圖10所示為直流斷路器第2次換流過程。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù) Tab.1 System simulation parameters

4.1 整機(jī)應(yīng)力仿真

加裝超導(dǎo)限流器后，通過超導(dǎo)限流器和混合式直流斷路器的配合，在故障的初始階段超導(dǎo)限流器能很好地限制故障電流的上升率，當(dāng)故障電流發(fā)展到斷路器的動(dòng)作電流時(shí)，啟動(dòng)斷路器切除故障回路。圖11所示為加裝超導(dǎo)限流器前后混合式直流斷路器開斷故障電流的仿真結(jié)果，由圖11可知：在未裝設(shè)限流器前，斷路器在達(dá)到動(dòng)作電流開始動(dòng)作后，機(jī)械開關(guān)建立最大絕緣能力需要時(shí)間，因此故障電流繼續(xù)上升，最大故障電流達(dá)到305 A；而加裝超導(dǎo)限流器后，故障前期限流器對(duì)故障電流進(jìn)行限流，當(dāng)斷路器動(dòng)作時(shí)，故障電流不再發(fā)展，因此斷路器所需承受的最大故障電流和故障電流上升率都大幅度降低，同時(shí)斷路器的開斷時(shí)間也變短，這對(duì)于直流配電系統(tǒng)的保護(hù)來說時(shí)十分有意義的。圖12所示為斷路器在開斷故障電流過程中的能量損耗，在加裝超導(dǎo)限流器后，斷路器在1次開斷過程中的所耗散的能量從8 J降低到2 J。

圖7 混合式直流斷路器開斷過程電流波形Fig.7 Current waveforms of hybrid DC circuit breaker during breaking process

圖8 混合式直流斷路器開斷過程電壓波形Fig.8 Voltage waveforms of hybrid DC circuit breaker during breaking process

圖9 斷路器第1次換流過程Fig.9 The first commutation process of circuit breaker

圖10 斷路器第2次換流過程Fig.10 The second commutation process of circuit breaker

圖11 混合式直流斷路器開斷過程電流波形Fig.11 Current waveforms of hybrid DC circuit breaker during breaking process

圖12 混合式直流斷路器開斷過程能量損耗仿真結(jié)果Fig.12 Energy loss of hybrid DC circuit breaker during breaking process

4.2 部件應(yīng)力仿真

加裝限流器后故障電流的大小和上升率都得到了抑制，因此對(duì)于混合式直流斷路器中各個(gè)器件來說，在開斷故障電流的過程中，各器件所承受的應(yīng)力也發(fā)生變化。圖13和圖14所示為在開斷故障電流時(shí)，轉(zhuǎn)移支路上的IGBT電流以及能耗的仿真結(jié)果，在加裝限流器后IGBT所承受的最大故障電流和能耗都得到了降低。圖15所示為RCD支路上緩沖電容的電流仿真結(jié)果，加裝限流器后，降低了所承受的最大故障電流，同時(shí)由于故障電流的降低，電容兩端電壓在上升到MOV啟動(dòng)電壓所需的時(shí)間也變長(zhǎng)，故緩沖電容中流過故障電流的時(shí)間變長(zhǎng)。

圖13 IGBT分?jǐn)喙收想娏鞣抡娌ㄐ蜦ig.13 Current waveforms of IGBT breaking fault current

圖14 IGBT分?jǐn)嗄芰繐p耗仿真結(jié)果Fig.14 Energy loss of IGBT breaking fault current

圖15 緩沖電容分?jǐn)嚯娏鞣抡娼Y(jié)果Fig.15 Current waveforms of buffer capacitance breaking fault current

5 結(jié)論

為了降低混合式直流斷路器在開斷故障電流時(shí)承受的應(yīng)力，本文提出了一種新型橋型超導(dǎo)限流器，研究超導(dǎo)限流器對(duì)混合式直流斷路器的開斷特性的影響，通過理論推導(dǎo)和仿真分析得到以下結(jié)論：

a)所提出的新型橋型超導(dǎo)限流器，可以實(shí)現(xiàn)限流電阻的多級(jí)投入控制，彌補(bǔ)原有限流裝置靈活性不足的缺點(diǎn)，器件簡(jiǎn)單且可靠性較高。

b)加入橋型超導(dǎo)限流器后，混合式直流斷路器在開斷故障電流時(shí)所承受的故障電流明顯降低，耗散的能量減少，斷路器的動(dòng)作時(shí)間縮短，對(duì)于直流配電網(wǎng)的保護(hù)具有重要意義。

c)加入橋型超導(dǎo)限流器后，混合式直流斷路器中的各個(gè)器件所承受的應(yīng)力也相應(yīng)減小，能夠有效地延長(zhǎng)混合式直流斷路器中電力電子器件的使用壽命。